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智能电能表可靠性技术研究

时间:2016-07-28来源: 作者: 点击: 112次

 


摘要:介绍了智能电能表可靠性的基本概念,全面分析了电能表可靠性预计和可靠性试验的方法,通过采用面向全生命周期的质量综合评价方法揭示了智能电能表寿命周期成本与可靠性的关系。

关键词:智能电能表,可靠寿命,可靠性预计,可靠性试验,综合评价

中图分类号:TM933     文献标识码:B    文章编号:

 

Research on the Reliability Technology of Smart Meter

Zheng Li1,Zhou Lixia2

1State Grid Xingtai Electirc Power Supply CompanyXingtai 054000

2. State Grid Jibei Electric Power Co. Ltd Research InstituteBeijing 100045)

Abstract: The main conception of smart meter reliability is introduced in this paper. Moreover, the reliability prediction method and reliability test method are analyzed simultaneously. The relationship between the life cycle and the reliability of smart meter is revealed by using the whole life cycle comprehensive evaluation method.

Keywords: smart meter; reliability life; reliability prediction; reliability test; comprehensive evaluation



1.    引言

                                

收稿日期:2016-05-03

作者简介:周丽霞(1982-),女,河北省邢台市,高级工程师,博士学位,主要从事电气测量技术研究工作,13552366261.

文本框:                                  
收稿日期:2016-05-03
作者简介:周丽霞(1982-),女,河北省邢台市,高级工程师,博士学位,主要从事电气测量技术研究工作,13552366261.
智能电能表是用于电能量贸易结算的重要计量器具。电能表的计量准确性、运行可靠性始终是电力公司关注的焦点问题。国家电网公司计划用5年时间建成用电信息采集系统,同步推广智能电能表,预计推广量将达到近3亿只。多数电力公司都开展了入网选型、抽样验收、现场抽检等各种类型的质量监督试验,不断提高电能表的可靠性水平;还不同程度地开展了统计电能表故障情况,查找故障根源,分层分析电能表失效模式和原因,探索合格供应商评价机制等可靠性工作。这些工作为电能表可靠性研究积累了经验,但电力公司重视智能电能表的功能和性能,忽视可靠性:电能表技术规范版本多,但版本寿命短;电能表故障信息收集标准不统一、准确,缺乏规范的失效数据;要求供货周期短;未能与全寿命周期成本有机结合;面向智能电能表可靠性的基础工作还比较薄弱。因此,对智能电能表开展可靠性预计、可靠性试验技术研究,形成规范的可靠性管理体系就显得尤为迫切。

2. 智能电能表可靠性的基本概念

智能电能表是典型的电子产品,其失效率随时间变化曲线形似浴盆[1,2],分为早期失效期、偶然失效期和耗损失效期三部分,称为浴盆曲线,如图1所示。


SEQ \* ARABIC1 浴盆曲线

智能电能表经历过老化筛选后,根据浴盆曲线的原理,电能表的电子元器件可认为工作在偶然失效期,失效率恒定不变。那么,普遍用于拟合失效的威布尔分布可简化为指数分布,也就是投运后的智能电能表失效服从指数分布,如图2所示。

SEQ \* ARABIC2 失效率恒定时的智能电能表寿命分布

在我国的国家和行业标准中,如JB/T50070-2002《电能表可靠性要求及考核方法》、DL/T830-2002《静止式单相交流有功电能表使用导则》、GB/T15284-2002《多费率电能表 特殊要求》、DL/T614-2007《多功能电能表》、GB/T17215.301-2007《多功能电能表 特殊要求》等均用MTTF作为电能表最小质保寿命的可靠性特征量,并规定MTTF不小于10年。

由于智能电能表本身价值不高,长期运行后,一般采用轮换的策略、不再修复,故将电子式电能表定义为不可维修产品,以失效前平均工作时间,即MTTF(mean time to failure)表征平均寿命,其数学表达式为:

分析寿命特征量可以看出,寿命必须与可靠度关联。MTTF时的可靠寿命,即一批电能表的实际使用时间达到MTTF时,该批电能表只有36.8%在正常工作,63.2%已经失效[3,4]

因此,在标准或技术规范中将MTTF不低于10年作为电子式电能表的质量保证最小寿命,既不合理、也不是所期望的。这样的结果显然不是电能表制造单位和电力公司所期望的。反映质量保证最小寿命的指标应是满足可靠度目标值的可靠寿命。

3. 可靠性的影响因素及设计措施

影响智能电能表可靠性的因素错综复杂,来自各个方面,包括:设计的先天不足、产品在某种方式下处于过应力状态、变异、与时间相关的失效、潜在现象等等。在恶劣环境条件下使用电能表,其中的元器件会发生腐蚀和其它环境效应,从而降低使用可靠性。尤其是在智能电能表中,电子元器件所占比重大,微电子化、高集成化和高密度装配是发展的趋势,电子线路的高阻抗和放大特性、以及电子元器件的环境适应性等问题的影响就更为明显。在早期的研究中,由于环境的显著影响,主要着眼于自然环境、机械应力、电应力等因素;随着可靠性技术的发展,可靠性已贯穿于电能表的全寿命周期,包括设计、制造、检验、使用等环节,涉及环境、人员、机器、材料、方法等综合因素。因此,一定要科学合理地综合分析、预防和控制这些因素,以提高智能电能表的可靠性。

设计是保障电能表可靠性的基础,设计决定了固有可靠性,是影响电子式电能表可靠性的最重要因素,占40%左右。可靠性设计就是将对智能电能表的可靠性要求转化为定量化的可靠性指标,在收集可靠性信息、失效物理分析等工作的基础上,采用各种可靠性设计技术消除或控制失效,合理应用、集成元器件,使智能电能表满足规定的可靠性要求。一般的设计要素包括:工作温度、电特性、稳定性、容差、可靠性、寿命、环境、可制造性、可用性、成本等。定量化的可靠性指标包括稳定性设计指标、极限性设计指标、失效率与寿命、质量等级、必须消除和控制的失效模式等。

4. 智能电能表可靠性预计

可靠性预计是根据组成系统的元器件、部件等的可靠性经验数据和可靠性模型,预计系统的可靠性水平[5,6],这是一个基于已知信息推导未来状况、由局部到整体、由小到大的综合过程。可靠性预计方法的分类如图所示。

3 可靠性预计方法分类

预计智能电能表的可靠性,应依据预计目的、基础数据、设计制造使用特点等因素,分析选用适宜的方法。根据国内智能电能表可靠性预计的需求现状,主要采用可靠性预计进行样机评价和试验选型。因此,电能表可靠性预计结果应当有足够的精确度,使得电力公司在评价和选择设计方案时有可信的可靠性参考数据。基于此目的和上述可靠性预计方法的分析评价,智能电能表元器件失效率预计应当选择元器件应力法,因为它比元器件计数法精度高,比失效物理分析法工程适用性强。

对于电能表系统可靠性预计,比较适合的方法是可靠性框图法。首先,智能电能表结构相对简单,可以进行较为精确的可靠性建模;其次,电能表可靠性预计是一种工程应用,可靠性框图法计算简单,其原理也容易被现场工程技术人员接受;第三,从系统模型的精度上考虑,可靠性框图法是最为精确的方法。因此,智能电能表系统可靠性预计采用可靠性框图法最为合适。

基于以上分析,智能电能表可靠性预计应采用“应力-框图”法,即选择元器件应力法预计元器件失效率,选择可靠性框图法建立系统可靠性模型,进而结合元器件失效率和系统可靠性模型预计智能电能表可靠度、可靠寿命等可靠性特征量。

5. 智能电能表可靠性试验

可靠性试验研究的目的主要是对智能电表的可靠性寿命分析和评价,主要有强化试验和加速试验。其中,强化试验是为了暴露产品的缺陷,确定产品的工作极限,根据强化试验的结果得到产品的薄弱环节,敏感应力和极限值,为设计加速试验提供试验依据;加速试验属于高应力试验,通过增加应力水平来提高效率[7]

目前应用于智能电能表强化试验研究的文献资料很少,尚未形成完整的考核电能表可靠性的理论体系。因此,先进行了强化摸底试验,通过采取较严酷恒定或步进应力的施加方式进行试验,结合敏感应力分析结果,选取确定的敏感应力逐一进行强化试验,根据试验结果确定影响智能电能表可靠性的敏感应力、敏感应力作用下的主要故障模式和工作、破坏极限等。试验剖面如图4所示,以期提早发现强化试验过程中可能出现的问题,及时优化强化试验方案。

温度强化试验剖面如下所示:

4 温度强化试验剖面

湿度强化试验剖面如下所示:

5 湿度强化试验剖面

 

电应力强化试验剖面如下所示:

6 电应力强化试验剖面

通过理论分析和智能电能表温度、湿度和电应力强化试验的结果分析,可以得到对智能电能表性能指标影响的主机理和主应力,如下表所示:

智能电能表主机理应力分析

性能指标

主机理

主应力

计量误差

采样电路

温度

电应力

日计时误差

日计时芯片

输出电路

温度

湿度

电能表常数

采样电路

温度

通讯功能

485通讯芯片

温度

液晶显示

液晶板

温度

 

6. 面向全生命周期的智能电能表质量综合评价方法

电能表寿命周期成本LCCLife Cycle Cost)是产品或系统在预定有效期内发生的直接、间接、重复性的、一次性的及其它有关的费用,它是设计、开发、制造、使用、维修、保障等过程中发生的费用和预算中所列入的必然发生的费用的总和。一般来说,LCC可划分为设计成本、制造成本、销售成本、使用成本、维修成本和回收报废成本。由于电能表的全寿命管理主要由电力公司负责,因此其寿命周期成本主要包括采购成本、使用成本、维修成本、回收报废成本,其构成详见下表。

2     电能表LCC构成

序号

项目

费用

1

采购成本

采购费用

2

使用成本

检定费用、安装费用、抄表费用、消耗功率费用、计量失准损失费用、培训费用

3

维修成本

拆换费用、维修费用

4

回收报废成本

报废费用、残值(负值)

LCC可看作是采购成本与运行成本之和,即

              (1)

式中,C1为采购成本;C2为运行成本,等于采购成本之外发生的所有费用之和。

不同可靠性水平对应不同的寿命周期成本,在特定的技术条件下,智能电能表寿命周期成本与可靠性的关系如图所示。

7 寿命周期成本与可靠性关系

7中寿命周期成本最小的点称为最优成本。可靠性经济性综合评价的作用之一就是分析特定技术水平下的寿命周期成本曲线,找到最优成本及其对应的可靠性水平。

以某型号电能表为例,其寿命周期成本与可靠度的关系如下图所示。

8 某型号电能表LCC-R曲线

通过对统计数据的分析及运用参数估计的计算方法可以得出该型号电能表设计寿命为10年时,最优可靠度为。即,对于设计寿命为10年的电能表,可靠度为0.8148时,其寿命周期费用最小。

7.    结束语

运行可靠性是智能电能表的重要参数,无止境地提高可靠性必然增加电能表的一次采购成本,但忽略可靠性时又会增加电能表的运行维护成本。本文通过全面分析智能电能表可靠性相关的技术,建议综合评价智能电能表可靠性和经济性之间的关系,采用经济最优的原则来确定电能表的采购方案和制定合理的电能表可靠性指标。

 

参考文献

[1]     张增照,潘勇.电子产品可靠性预计[M].北京:科学技术出版社,2007

[2]     European Power Supply Manufactures Association. Reliability Guidelines to understanding reliability prediction [R]. Wellingborough: EPSMA, 2005

[3]     王思彤,罗玮,袁瑞铭等. 电子式电能表寿命概念的探讨[J]. 电测与仪表,2009(10)48-52

[4]     武宏波,王思彤,罗玮等.电子式电能表寿命问题的再探讨[J]. 电测与仪表,2009(12)68-72

[5]     IEC 62059-41-2006, Electricity metering equipment Dependability Reliability prediction [S].

[6]     Lixia Zhou, Ran Cao, Chunbo Qi, Ran Shi. Reliability Prediction for Smart Meter Based on Bellcore Standards [C]. 2012 International Conference on Quality, Reliability, Risk, Maintenance, and Safety Engineering (QR2MSE 2012), June 15-18, Chengdu, China.

[7]     张松,李亦非. 关于电子式电能表加速寿命试验技术的研究[J],电测与仪表,2010,(07)89-91.

 

 

 

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